지중열교환기용 시멘트계 그라우트의 열물성에 관한 연구
이동주1)· 김경만1)· 김대훈1)· 백환조2)*
A Study on the Thermal Properties of Cement-based Grout for Ground Heat Exchangers
Dongju Lee, Gyoungman Kim, Daehoon Kim and Hwanjo Baek
*Abstract : In this paper, the applicability of cement-based grout has been studied as an alternative to bentonite grout for installing ground heat exchangers. To provide an optimal mixture design, the thermal conductivity of cement-based grout and bentonite grout with various mixture ratios were experimentally evaluated and compared.
Numerical analyses using Fluent (FVM program) were applied to compare the thermal transfer efficiency of the cement-based grout with that of the bentonite grout. The effective ground thermal conductivity was also measured by in-situ thermal response test. The results showed that the thermal efficiency of the cement grout was better than that of bentonite grout. Consequently, the cement-based grout could be an alternative with enhanced thermal efficiency to bentonite grout for ground heat exchangers.
Key words : Thermal conductivity, Thermal response test, Ground heat exchanger, Cement grout
요 약 : 본 논문에서는 지중 열교환기용 벤토나이트 그라우트의 대안으로 시멘트계 그라우트의 적용성에 대해 연구하였다. 최적의 혼합 비율을 도출하기 위해 다양한 혼합비에 따른 시멘트계 그라우트와 벤토나이트 그라우 트의 열전도도를 실험적으로 비교하였으며 수치해석 프로그램을 이용하여 현장에서 사용되는 벤토나이트 그라 우트와 시멘트계 그라우트의 열전달 효율을 고찰하였다. 현장 열응답 시험에 의한 유효 열전도도 측정 결과, 시멘트계 그라우트가 벤토나이트 그라우트보다 높은 열효율을 나타냈다. 실내시험, 수치해석 및 현장 열응답 시험 결과를 종합하면, 벤토나이트 그라우트 대신 시멘트계 그라우트를 사용할 경우 좀 더 높은 효율을 얻을 수 있을 것으로 예상된다.
주요어 : 열전도도, 현장 열응답 시험, 지중열교환기, 시멘트 그라우트
2011년 8월 25일 접수, 2011년 12월 7일 심사완료 2011년 12월 12일 게재확정
1) 강원대학교 대학원 에너지･자원공학과 2) 강원대학교 공과대학 에너지･자원공학과 교수
*Corresponding Author(백환조) E-mail; [email protected]
Address; Department of Energy and Resources Engineering, Kangwon National University
서 론
우리나라는 세계 10대 에너지 소비국 임에도 불구하 고 에너지 부존자원이 매우 부족하여 화석연료의 97%
를 수입에 의존하고 있어 고유가 시대를 대비하기 위한 신재생에너지 개발의 필요성이 증대되고 있다. 우리나라 의 경우, 신재생에너지는 ‘대체에너지 개발 및 이용보급 촉진법’ 제2조에 석유･석탄･원자력･천연가스가 아닌 에 너지로 정의되며, 연료전지(fuel cell)등의 신에너지와,
지열에너지 등의 재생에너지를 포함한 11개 에너지원이 이에 해당된다. 지열을 이용한 냉난방 시스템은 반영구 적이며 친환경적인 에너지 활용 방법이다. 지열 열펌프 시스템은 냉방 시에는 건물 내의 열을 지중으로 방출하 고, 난방 시에는 지중의 열을 실내로 공급함으로써 냉난 방을 구현한다. 냉방 및 난방 사이클에서 각각 히트싱크 (heat sink) 및 열원(heat source)의 역할을 하는 지열은 공기보다 안정적이다. 따라서 기존 냉난방 설비, 특히 공 기열원 열펌프 시스템(air source heat pump system)과 비교했을 때 효율이 높고 성능이 우수한 시스템으로 알 려져 있다(조정식, 2006).
수직형 지중 루프 열교환기(vertical ground loop heat exchanger)를 이용하는 지열 열펌프 시스템의 핵심은 열 펌프 유닛(heat pump unit)과 지중 루프 열교환기(이하 지중 열교환기)이다. 지중열교환기용 순환 파이프를 시 추공에 매설한 후, 시추공과 지반의 열교환을 위한 순환 연구논문
Table 1. Properties of Volclay Grout (CETCO KOREA)
Permeability (cm/sec) Swelling Montmorillonite content (%) Thermal conductivity (W/mK)
≤1×10-7 25 ml/2.0 g 90≥ 0.74
파이프 사이에 그라우트로 뒤채움하게 되는데 그라우트 는 지중 열교환기와 지반 혹은 암반 사이의 공간을 메워 지중과의 열전달을 촉진하고 시추공 내 지표수의 침투 및 지하수 오염을 방지하는 역할을 하게 된다. 그라우트 가 갖추어야 할 조건은 높은 열전도도와 낮은 투수성, 시 공성 확보이다. 일반적인 그라우트 재료로 벤토나이트와 시멘트를 주로 사용하는데 현재 국내에서는 대부분 벤토 나이트 그라우트를 사용하고 있다. 하지만, 순수 벤토나 이트 그라우트 열전도도는 지반의 열전도도보다 상당히 낮으므로 적절한 열교환 효율을 기대할 수 없다. 또한 뒤 채움용 벤토나이트는 대부분 수입에 의존하고 있어 재료 비에 대한 부담이 높은 편이다. 시멘트계 그라우트의 경 우, 벤토나이트보다 열전도도가 높고, 높은 부착력과 낮 은 투수계수를 갖는 것으로 보고된 바 있다(Allan and Philippacopoulos, 1999).
본 연구에서는 시멘트 그라우트의 적용성을 검토하기 위 해 실내시험을 통해 배합비의 변화에 따른 열전도도, 일축 압축강도의 변화를 고찰하고, 수치해석프로그램(FLUENT) 을 사용하여 2차원 열전달 거동을 파악하였다. 또한, 벤 토나이트 그라우트와 시멘트 그라우트를 타설한 현장 열 응답 시험을 통해 유효 열전도도를 측정하였다.
그라우트 특성실험
본 실험에서는 순수 벤토나이트, 벤토나이트+첨가제, 순수 시멘트+첨가제(인조/천연규사) 등 다양한 그라우팅 재료로 시험편을 제작하였다. 그라우트의 열전도도를 증 가시키기 위해 주로 사용되는 방법은 순수 그라우트에 열전도도가 큰 첨가제를 일정량 첨가함으로써 전체 질량 비 중 고형 성분이 차지하는 비율을 증가시키는 것이다 (Remund and Lund, 1993). 실내 시험을 통해 벤토나이트 그라우트와 시멘트계 그라우트의 열전도도를 비교하였다.
시험편 제작 및 측정기기 열전도도 실험 시료 (1) 벤토나이트계 그라우트
이번 실험에 사용된 벤토나이트는 CETCO KOREA社 의 Volclay Grout로서, 폴리머가 가미되지 않은 단일성 분으로 제조된 가루 형태의 제품이며 물성치는 Table 1 과 같다. 실제 현장의 지중 열교환기 그라우팅은 대략
20%～30%의 벤토나이트 분말을 물과 혼합하여 사용하 고 있다. 따라서 본 실험에서는 순수 벤토나이트 20%와 30%를 기준으로시료를 제작하여 열전도도를 측정하였 다. 순수 벤토나이트의 경우 열전도도가 높지 않다고 알 려져 있다. 따라서 일반적으로 벤토나이트 그라우트의 경우 열전도도를 높여 지중 열교환기의 열전달 효율을 증가시키는 목적으로 규사를 혼합하여 사용하고 있다 (최항석 등, 2008). 본 실험에서 첨가제를 전체 질량비의 10, 20, 30, 40, 50%로 혼합하여 시험편을 제작하였으 며, 첨가제로 사용된 천연규사와 인조규사의 직경은 대 략 0.25 mm이다. 시험편은 직사각형 몰드(6×11×4 cm) 를 이용하여 각 혼합비율 당 3개씩 성형하고, 열전도도 를 측정하기 전 24시간 실내건조 하였다.
(2) 시멘트계 그라우트
실험에 사용된 시멘트는 포틀랜드 시멘트(Portland cement) 로 주성분은 석회(CaO), 알루미나(Al2O3), 규사(SiO2) 및 산화철(Fe2O3)등이다. Allan and Philippacopoulos(1999) 가 제안한 시멘트 배합비에 추가적인 실험을 위해 Table 2와 같이 물/시멘트 비, 모래/시멘트 비를 변화시켜서 시 험편을 제작하였다. 시험편 제작시 소량의 벤토나이트를 첨가하였는데, 벤토나이트의 첨가는 블리딩 현상 감소, 그라우트의 체적 향상, 모래의 침전형상 방지 등에 효과 가 있다(Allan and Philippacopoulos, 1999). 또한 순수 시멘트의 밀도를 감소시키고 최종적으로 혼합된 시멘트 슬러리의 체적을 증가시키기 위해 일반적으로 시멘트에 사용하는 첨가제로 벤토나이트를 사용한다(한정상 등, 2005). 벤토나이트의 함량은 시멘트계 그라우트의 열전 도도에 크게 영향을 미치지 않지만, 시멘트 중량의 1%
정도 첨가하여도 시멘트계 그라우트의 유동성이 현저히 감소하므로 시멘트 그라우트에 벤토나이트를 첨가할 경 우 반드시 유동화재(superplasticizer)에 대한 고려가 있 어야 한다(최효범, 2010). Table 2는 이번 실험에서 시멘 트계 그라우트의 배합비를 나타내며, Fig. 1과 2는 첨가 제(천연/인조규사)의 입도분포 곡선이다. 시험편 제작용 몰드는 벤토나이트 그라우트 시료 제작용 몰드와 동일하 며, 성형 후 24시간 실내 건조한 다음, 7일 동안 습윤 양 생하였다. 특히 지하수위의 변화에 따른 영향을 고찰하 기 위하여, 시험편의 열전도도는 포화상태와 건조상태에 서 각각 측정하여 비교하였다.
Table 2. Mixing ratio of cement-based grout
W/C S/C Cement (g) Sand (g) Water (ml) Bentonite (g) Superplasticizer (ml)
0.6
1 850 850 510 8.5 12.75
2 567 1134 340.2 5.67 8.51
3 425 1275 255 4.25 6.38
3.5 378 1322 226.8 3.78 5.67
0.7
1 850 850 595 8.5 12.75
2 567 1134 396.9 5.67 8.51
3 425 1275 297.5 4.25 6.38
3.5 378 1322 264.6 3.78 5.67
1.0
1 850 850 850 8.5 12.75
2 567 1134 567 5.67 8.51
3 425 1275 425 4.25 6.38
3.5 378 1322 378 3.78 5.67
※ W/C=Water/Cement, S/C=Sand/Cement
Fig. 1. Grain-size distribution curve (natural sand).
Fig. 2. Grain-size distribution curve (quartzite sand).
Fig. 3. QTM-500.
Fig. 4. Prove (PD-11).
열전도도 실험 장치 및 방법
열전도도는 Kyoto Electronics사의 QTM-500을 사용하 여 측정하였다(Fig. 3). 프로브(PD-11, Kyoto Electronics) 는 콘스탄탄 열선(Constantan wire)과 열전대(K-type)로
구성되어 있으며, 크기는 95 mm×40 mm이다(Fig. 4).
시료와 직접 접촉하는 프로브의 표면에는 폭이 1mm인 콘스탄탄 열선이 부착되어 있으며 열선의 중앙에 K-type
Fig. 5. NX-core size samples (cement-based grout).
Fig. 6. Thermal conductivity of pure bentonite specimens.
열전대가 용접되어 있다. 열전도도 측정기는 0.023～12 W/mK의 측정 범위 및 ±5%의 정밀도와 ±3%의 재현성 을 갖는다. 열전도도는 모든 시료에 대해 2회 반복 측정 후 그 평균값을 사용하였다.
일축압축강도 실험 시료 및 측정방법 (1) 시멘트계 그라우트
일반적으로 수직 밀폐형 지중열교환기 시스템에서 그 라우트의 강도는 중요한 설계 변수는 아니다. 하지만, 최 근에는 기존 건물들에 인접하여 지중열교환기를 시공할 경우, 안정성 확보를 위한 역학적 물성평가를 제안하고 있다(박문서 등, 2010).
배합비 별로 NX코어(5×10 cm)크기로 제작한 시험편 들은, KS F 2403(2005)에 규정된 표준시험법에 따라 몰 드에서 24시간 양생 후 탈형하여 항온수조에서 20°C로 7일간 양생한 후 강도를 측정하였다(Fig. 5). 각각의 시 료를 3개씩 제작하고 KS F 2405(2005)에 따라 UTM을 이용하여 일축압축강도를 측정하고 평균값으로 표시하 였다.
물성실험 결과
(1) 순수 벤토나이트 열전도도
Fig. 6은 시료 전체 질량비의 20%와 30% 벤토나이 트를 혼합한 시험편의 열전도도를 측정한 결과이다. 실 험 결과, 20% 순수 벤토나이트는 평균 0.78 W/mK, 30% 순수 벤토나이트의 경우에는 평균 0.81 W/mK의 열전도도를 갖는 것으로 측정되었다. 벤토나이트의 함 량을 20%에서 30%로 증가 시켰을 때 Volclay Grout는 약 3.8%정도로 열전도도가 소폭 증가하였으나, 그 차 이가 적어 벤토나이트 20～30% 함량까지 한하여 벤토 나이트 함량에 따른 열전도도의 영향은 거의 없다고 판 단된다.
(2) 벤토나이트계 그라우트(벤토나이트-첨가제) 열전도도 순수 벤토나이트 그라우트(20%, 30%)에 첨가제(인조 규사, 천연규사)를 혼합하여 혼합비의 종류에 따른 영향 과 배합비에 따른 열전도도를 측정하였다. Fig. 7～8은 20%, 30% 순수 벤토나이트에 천연규사와 인조규사를 첨가하여 첨가제가 순수 벤토나이트 시험편의 열전도도 증가에 미치는 영향을 나타낸 것이다.
기존 연구에서 보고된 바와 같이, 첨가제의 양이 증가 할수록 열전도도 측정값도 증가하였다(최효범, 2010).
Fig. 7～8에서 보듯이 첨가제의 양이 10%씩 증가할 때 마다 열전도도는 0.03～0.10 W/mK씩 증가하였다. 순수 벤토나이트에 비해 첨가제 양이 50%일 때 열전도도가 최대 약 47%까지 증가하였다. 또한 첨가제의 양이 10%
에서 50%로 증가하였을 때 열전도도는 약 30%정도 증 가하였다. 따라서 순수 벤토나이트 시료에 상대적으로 열전도도가 높은 첨가제를 혼합하면 열전도도를 높일 수 있다는 것을 알 수 있다.
첨가제 종류에 따른 열전도도를 비교해 보았을 때 인 조규사와 천연규사를 첨가한 시료의 열전도도 차이가 거
Fig. 7. Thermal conductivity of bentonite-quartzite sand.
Fig. 8. Thermal conductivity of bentonite-natural sand.
Fig. 9. Thermal conductivity of cement grout (saturated).
Fig. 10. Thermal conductivity of cement grout (dry).
의 미비하여 사용한 첨가제 종류에 따른 영향은 거의 없 는 것으로 판단된다.
(3) 시멘트계 그라우트(시멘트-첨가제) 열전도도 Fig. 9～10은 시멘트 그라우트 시료의 포화/건조 상태 의 열전도도 측정 결과를 나타낸 것이다. Fig. 9에서 보 듯이 물/시멘트 비(0.6, 0.7, 1.0)를 변화시켜 열전도도 값의 차이를 비교하면, 물/시멘트 비가 변화하여도 열전 도도의 차이는 미미하였다. 하지만 포화상태일 때와 건 조 상태일 때의 열전도도 측정값의 차이는 대략 0.28～
1.45 W/mK 만큼 감소하였다. 이는 건조 상태일 때 공기 로 채워져 있던 시료의 공극에 포화 상태일 때는 공기보 다 상대적으로 열전도도가 높은 물로 채워지면서 열전도 도가 증가되는 것으로 판단된다.
Allan and Philippacopoulos(1999)는 열전도도 향상과 투수계수 저감 목적으로 시멘트 그라우트를 배합할 때, 물/시멘트 비를 최소한으로 유지하는 것이 중요하다고 보고하였다. 그러나 본 실험결과에서는 물/시멘트 비는 포화상태일 때 열전도도에 크게 영향을 주지 않았지만, 물/시멘트 비가 1일 때처럼 물의 비율이 일정 수준 높아
지게 되면 포화상태에서 건조상태가 될 때 열전도도 감 소폭이 상대적으로 증가하고, 또한 물/시멘트 비는 유동 성에 영향을 미치기 때문에 현장에 적용 시 적절한 물/ 시멘트 비를 고려해야 한다고 판단된다.
모래/시멘트 비가 열전도도에 미치는 영향을 다룬 기 존 연구에서는 모래/시멘트 비가 2.8까지 증가할 때 건 조상태나 포화상태에서 유사한 열전도도의 증가를 보고 한 바 있다(박문서 등, 2010). 그러나, 본 실험에서 모래/
시멘트 비를 3.5까지 확대하여 시험편의 열전도도를 측 정한 결과, 모래/시멘트 비가 3.0 이상으로 높아지면 열 전도도의 증가는 크지 않으며, 특히 건조상태의 경우에 는 열전도도가 오히려 감소하는 것으로 나타났다. 이는 시험편 제작과정에서 발생한 문제일 수도 있으나, 전체 시험편들에서 일정한 경향을 보이는 것을 고려하면, 향 후 추가적인 연구가 필요할 것으로 판단된다.
(4) 시멘트계 그라우트 일축압축강도
일축압축강도시험 결과, Fig. 11에서 보듯이 물/시멘트 비와 모래/시멘트 비가 증가할수록 일축압축강도가 감소 하는 경향을 보였다. 이는 시멘트와 물만 혼합한 일반적
Fig. 11. Uniaxial compressive strength of cement grout.
Table 3. Geometry of the numerical analysis model
Pipe diameter 3 cm
Distance between pipes 1.5 cm Borehole diameter 15 cm
Ground 100×100 cm
Fig. 12. The numerical analysis model.
인 시멘트 모르타르와 비슷한 경향을 갖는다. 지중열교 환기 시추공 시공 시 그라우트의 일축압축강도는 전반적 인 지중열교환기 시스템의 안정성에 크게 영향을 주지 않으나 강도가 좋은 시멘트계 그라우트의 경우 시추공 형상 유지에 도움이 될 것이라고 판단된다. 하지만 열전 도도 높일 목적으로 규사를 과다 첨가할 때에 강도 감소 나 시멘트 경화 과정에 문제가 발생할 수 있으므로 현장 시공 시 이를 고려해야 한다.
수치해석
지중열교환기용 그라우트는 시추공 주변의 오염물질 이 시추공 내로 유입되는 것을 방지하는 역할을 하며, 이 러한 역할 이외에도 시추공 주변의 지반과 유동액 간의 열전달을 촉진하는 중요한 역할을 한다. 그라우트의 열 전도도는 지반과 유동액 사이의 열전달에 있어서 중요한 인자이기 때문에, 그라우트의 열전도 특성에 따른 지중 열교환기의 열전달 효율을 분석하기 위해 2차원 수치해 석을 실시하였다.
이론적 배경
본 연구에서는 지중열교환기 단면의 열전달 거동을 알 아보기 위해 ANSYS사의 유한체적해석 프로그램(Finite Volume Method)인 FLUENT를 이용하여 2차원적 해석 을 수행하였다. FLUENT는 비압축성(Low subsonic)에 서 압축성(Supersonic) 및 천음속(Transonic)유동 등 유 동의 전 영역을 해석할 수 있는 Solver이다.
먼저 해석 대상을 Design Modeler를 이용하여 형상화 한 후에 격자를 생성하여 FLUENT를 이용하여 수치해 석을 하였다. FLUENT를 이용하여 지중 열교환기 주변 지반의 온도 분포 경향을 파악할 수 있으며, 각 층들이 가지고 있는 지반 물성치를 입력하여 현장 상황과 유사
한 해석이 가능하다. 그라우트의 종류에 따른 열전달 거 동에 대해서 Heat Transfer 이론을 사용하였으며, 여기 에서의 에너지 방정식은 식 (1)과 같다.
∇∙
∇∙∇ ∙ (1)
식에서 는 유효 열전도율, 는 에너지, 는 밀도, 는 온도, 는 확산 유동, 는 유효 전단 응력, ∇는 전도성, 는 엔탈피, 는 체적 열원, 는 속도, ∑는 확산을 각각 나타내며 고체 상태에서의 에너지 방정식은 다음 식 (2)와 같이 다시 쓸 수 있다.
∇∙ ∇∙∇ (2)
해석조건
해석모델은 Table 3과 같은 조건으로 현장 조건과 동 일하게 구성하였다(Fig. 12). Tables 4～5는 해석에 적용 된 물성치를 나타낸 것이며, 열전도도 값은 실내시험에 서 측정된 값 중 가장 높은 값을 사용하였다.
해석결과
해석 결과는 Figs. 13～14와 같으며, 그라우트재로 벤
Table 4. Properties of the numerical analysis model
Properties Ground Pipe Fluid
Density 2900 955 1113
Heat capacity 760 525 4217
Thermal conductivity 2.5 0.4 0.55
Viscosity - - 16.1
Ground temperature (℃) 15
Inflow pipe temperature (℃) Heating mode 4
Cooling mode 25
Table 5. Thermal conductivity of grout
Grout type Mixing ratio Thermal conductivity (W/mK)
Bentonite Bentonite 30% 0.81
Bentonite Grout Bentonite 30% + Quartzite sand 50% 1.17
Cement Grout W/C=0.7, S/C=2.0 (Sat.) 2.28
(a) Bentonite (b) Bentonite-quartzite sand
(c) Cement grout (d) Range of temperature
Fig. 13. The result of the numerical analysis (Cooling mode).
토나이트를 사용하였을 때는 유입 파이프의 열이 시추공 내에서만 열전달이 이루어지지만 시멘트계 그라우트의 경우는 시추공 주변의 지반까지 열전달이 원활이 이루어
져서 유입 파이프 주변의 지반 온도가 상승･하강하는 것 으로 나타났다. 이는 그라우트재의 열전도도가 증가할수 록 냉/난방과정 모두 주변 지반과의 열전달이 더 원활히
(a) Bentonite (b) Bentonite-quarzite sand
(c) Cement grout (d) Range of temperature
Fig. 14. The result of the numerical analysis (Heating mode).
0 500 1000 1500 2000 2500 3000
0 5 10 15 20 25 30 35
Outlet Temp.[℃]
Inlet Temp.[℃]
Input Power[kW]
Time [min]
Fluid Temperature [℃]
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45
Input Power [kW]
Fig. 15. Thermal response test . 이루어졌음을 보여준다. 따라서 열전달 능력의 관점에서
볼 때, 지중 열교환기 그라우트재로 기존의 벤토나이트 그라우트 대신에 상대적으로 열전도도가 높은 시멘트 그 라우트를 사용하였을 경우 더 높은 열효율을 기대할 수 있을 것으로 판단된다.
현장 열응답 시험
본 실험을 실시하기 위해 김포 〇〇지역에 수직형 지 열 냉난방 시스템 형식으로 2개의 시추공을 시공하여 한 개의 시추공에는 벤토나이트 그라우트를 사용하였고, 나 머지 시추공에는 시멘트 그라우트로 시공하였다. 두 시 추공간 거리는 약 5 m정도이며 심추 심도는 220 m이다.
이론적 배경
현장 열응답 시험은 시추공 내 유효 열전도도 측정 을 하는 시험이다. 시추공 깊이에 비해 직경이 매우 작 으므로 지중 열교환기를 무한 선형 열원(Line source)으 로 가정하여 이용하는 방법이다. 시험을 통해 측정된 유 효 열전도도는 그라우트재 종류, 지반 상태, 파이프의 영향을 포함하여 향후에 지열 냉난방 설계 시 입력 변수
로 사용된다.
실험결과의 해석은 다음의 선형열원 방정식을 사용하 여 적용한다(Gehlin, 2002).
(3)
결과적으로 현장 열응답 시험에서는 Fig. 15와 같이 입･출구 평균온도와 시간 에 대한 현장 자료를 획
156.6 6.8 7.0 7.2 7.4 7.6 7.8 8.0 20
25 30 35
Lin e Slope : 1.4782
Av e. Fluid T emp.[ ℃]
Average Fluid Temperature [℃]
Time (ln[min])
Fig. 16. Thermal response test ln.
(a) Thermal response test (b) Thermal response test ln
Fig. 17. The result of thermal response test (Bentonite grout).
(a) Thermal response test (b) Thermal response test ln
Fig. 18. The result of thermal response test (Cement grout).
득하고 Fig. 16과 같이 이를 반대수 관계 ln로 그 래프의 기울기를 산정 한 후 사용한 열량과 시추공의 길 이를 식 (3)에 대입하여 현장의 유효 열전도도를 산출하 게 된다.
시험 결과
그라우팅 재료에 따른 지중 유효 열전도도 변화를 알 아보았다. 현장 열응답 시험은 최소 48시간 이상 지속적 인 측정을 실시하여 지반의 유효 열전도도를 산정하는 시험법이다. 측정 결과는 Fig. 17～18까지 그라우트에 따라 결과를 나열하였으며 유효 열전도도 측정결과는 Table 6에 나타내었다. 측정 데이터 결과는 시험 시작 12시간 동안의 자료는 안정화 시간에 해당하는 것으로 간주하고 유효 열전도도 산정 과정에서 제외하였으며 유효 열전도 도는 유출･유입 순환수 평균온도(T-avg)를 사용하여 산 정하였다. 현장 열응답 시험결과는 온도와 시간의 기울 기(식 (3)에서 b값)를 산정하고 평균 일 입력량(Power input,
), 시추공 깊이() 등을 식 (3)을 사용하여 각 시추공의 유효 열전도도를 산정하였다. 선형 열원해석에 필요한 자료는 평균적으로 450분 이후에 선형화되는 것으로 나 타났다.
현장시험 결과, 시추공에 주입한 각각 그라우트재의 열 전도도가 0.81 W/mK, 2.18 W/mK일 때 유효 열전도도
Table 6. Results of thermal response test
Test factor Grout type
Bentonite grout Cement grout
Mixing ratio of grout Bentonite/Sand/Water (1:1:8) Cement/Sand/Water (1:1.5:0.7)
Thermal conductivity (W/mK) 0.81 2.18
Power input (W) 14678 14651
Slope 2.68 1.95
Depth (m) 220 220
Ground thermal conductivity (W/mk) 1.98 2.73
는 시멘트계 그라우트가 약 38%정도 높게 나타났다. 벤 토나이트계 그라우트의 경우 시간에 따라 유출온도가 상 대적으로 높은 것은 시멘트계 그라우트에 비해 지반으로 온도가 잘 전달되지 못하고 있다는 것을 말해주고 있다.
이러한 결과는 열전도도가 증가하면 시추공 주변 지반과 의 열교환 능력이 향상되어 높은 효율을 얻을 수 있을 것이라는 수치해석 결과와 부합한다. 본 연구에서는 현 장조건상 다양한 그라우팅 재료들에 대한 열응답 시험을 수행할 수 없었으나, 지중열교환기의 효율을 향상시키기 위해 후속 연구가 필요할 것으로 판단된다.
결 론
본 연구에서는 지열 열펌프 시스템의 중요한 한 부분 인 지중열교환기 시추공 뒤채움재의 열물성에 대해 연구 하였으며, 현재 국내에서 사용되는 그라우팅 재료들을 대상으로 열전도도를 측정하여 비교하였다. 또한 수치해 석 프로그램(Fluent)을 이용하여 그라우트의 열전도도에 따른 열전달 거동의 변화를 확인해 보았다.
실내 시험에서 얻은 열전도도 측정치를 기준으로 현장 에 벤토나이트/시멘트계 그라우트를 각각 타설하여 현장 열응답 시험을 통해 유효 열전도도를 측정, 비교하였다.
본 연구를 통해 얻은 결론은 다음과 같다.
1. 물/시멘트 비 0.7, 모래/시멘트 비 2.0(포화상태)일 때 2.28(W/mK)로 열전도도 값이 측정되었고 건조상태 일 때 2.00(W/mK)으로 다른 배합비에 비해 상대적으로 소폭 감소하였다. 이는 포화상태와 건조상태의 열전도도 차이가 적어서 지하수위가 낮은 지역에서도 적용이 가 능할 것으로 판단된다.
2. 시멘트계 그라우트의 경우, 물/시멘트 비와 모래/시 멘트 비가 증가할수록 일축압축강도는 감소하지만, 하중 전달능력이 거의 없는 벤토나이트 그라우트를 대신하여
건물과 인접한 위치나 하부에 설치가 유리할 것으로 판 단된다.
3. 수치해석 결과, 상대적으로 열전도도가 높은 시멘 트계 그라우트를 사용했을 때 열전달 능력이 향상되어 시추공 주변 지반과 열교환이 잘 이루어져서 벤토나이트 계 그라우트보다 효과적일 것으로 판단된다.
4. 실내 시험과 수치해석 결과를 토대로 현장 열응답 시험을 실시한 결과, 벤토나이트계 그라우트보다 시멘트 계 그라우트의 유효 열전도도가 약 38% 높게 측정되어 보다 높은 열효율을 얻을 수 있음을 확인하였다.
5. 벤토나이트 그라우트와 시멘트계 그라우트를 비교 한 결과, 실내시험에서 얻은 열전도도 및 일축압축강도, 수치해석, 현장 열응답 시험 결과를 종합하였을 때, 시멘 트계 그라우트의 경우, W/C=0.7, S/C=2.0을 최적 배합 비로 제시한다.
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이 동 주
2010년 강원대학교 에너지ㆍ자원공학과 공학사
현재 강원대학교 대학원 에너지ㆍ자원공학과 석사과정 (E-mail; [email protected])
김 대 훈
현재 강원대학교 대학원 에너지･자원공학과 박사과정 (本 學會誌 第47券 第3号 參照)
김 경 만
현재 강원대학교 대학원 에너지･자원공학과 박사과정 (本 學會誌 第47券 第3号 參照)
백 환 조
1984년 서울대학교 자원공학과 학사 1986년 서울대학교 자원공학과 석사 1994년 University of Texas at Austin,
토목공학과 박사
현재 강원대학교 공과대학 에너지ㆍ자원공학과 교수 (E-mail; [email protected])
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